5G在车联网中的应用

1引言近年来，因汽车数量持续增长而引起的交通安全、出行效率、环境保护等问题日益突出，车联网相关领域的研究和发展受到了广泛关注。车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，融合了传感器、RFID（radiofrequencyidentification）、数据挖掘、自动控制等相关技术，按照约定的通信协议和标准，在车X（X：车、路、行人、互联网）交互过程中，实现车辆与公众网络的动态移动通信，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。在车联网中，车辆作为移动通信设备和用户的载体，以拓扑节点的形式组织移动网络拓扑。由于车辆自身的移动性，车载通信具有移动区域受限、网络拓扑变化快、网络频繁接入和中断、节点覆盖范围大、通信环境复杂等特点［1］。根据车联网的上述特征，当前车联网的实施存在以下多方面挑战和困难。1）在体系结构方面，由于移动互联网通信技术的快速发展，为满足用户的多功能体验，车联网的体系结构变得复杂。在车载移动互联网中，路侧单（RSU，roadsideunit）作为车辆自组网（VANET，vehicularadhocnetwork）无线接入点，将车辆以及道路等信息上传至互联网并发布相关交通信息，这种车与基础设施（V2I，vehicletoinfrastructure）的协作通信模型需要大量的RSU支撑，增加了建设的成本和能源消耗［2］。2）在通信方面，车联网中存在多种类型的通信网络，这些网络使用不同的标准和协议，数据处理和网络的融合不完善，影响车联网系统运行效率。虽然IEEE802.11p标准的车辆自组网通信在高速运行环境下传输距离远、分组丢失率低、可靠性高，但在极其复杂的非视距（NLOS，non-lineofsight）环境下通信质量会受到不同程度的干扰［2］。另外，由于车辆的高速移动，需要快速可靠的网络接入与信息交互，时延受限成为当前车联网面临的重要问题。3）在安全方面，车联网中的用户信息都将连接在该网络上，随时随地被感知，很容易被干扰和窃取，严重影响了车联网体系的安全。当前车联网在每一层都存在不同程度的威胁：在感知层，车辆单元（OBU，on-boardunit）和路侧单元RSU节点的物理安全、感知信息的无线传输；在网络层，数据破坏、数据泄露、虚假信息等安全与隐私问题［3］；在应用层，也存在身份假冒、越权操作等由于技术方面的不足或因管理不当而带来的隐形危害。近年来，车联网在体系结构、通信以及安全方面存在的问题成为当前学术界和工业界的研究热点，而随着第5代移动通信（5G）的快速发展，5G移动通信网络将融合大规模天线阵列、超密集组网、终端直通、认知无线电（CR，cognitiveradio）等先进技术［4］，以更加灵活的体系结构解决多样化应用场景中差异化性能指标带来的挑战。其中，5G通信技术在低时延、高移动性车联网场景的应用，解决了当前车联网面临的多方面问题和挑战，使OBU在高速移动下获得更好的性能。而且，5G通信技术让车联网不用单独建设基站和服务基础设施，而是随着5G通信技术的应用普及而普及，为车联网的发展带来历史性的机遇。25G车联网的体系结构未来5G通信技术在车联网场景的应用使车联网拥有更加灵活的体系结构和新型的系统元素（5G车载单元OBU、5G基站、5G移动终端、5G云服务器等）。除了在车内网、车际网、车载移动互联网实现V2X（X：车、路、行人及互联网等）信息交互以外，5G车联网还将实现OBU、基站、移动终端、云服务器的互联互通，分别给予它们特殊的功能和通信方式。5G车联网体系结构的特点主要体现在OBU多网接入与融合、OBU多渠道互联网接入、多身份5G基站。2.1OBU多网接入与融合目前，在车联网中，多种网络共存，包括基于IEEE802.11a/b/g/n/p标准协议的WLAN、2G/3G蜂窝通信、LTE以及卫星通信等网络，这些网络在车联网通信中使用不同的标准和协议，数据处理和信息交互不完善。而5G车联网将融合多种网络，实现无缝的信息交互和通信切换。5G移动通信网络是一个包括宏蜂窝层和设备层的双层网络［5］，其中，宏蜂窝层与传统蜂窝网络相似，涉及基站和终端设备之间的直接通信。在设备层通信中，设备到设备（D2D,dedevice-to-device）通信是5G移动通信技术的重要组成部分，是一种终端与终端之间不借助任何网络基础设施直接进行信息交互的通信方式［6］。根据基站对资源分配和对起始、目的、中继终端节点的控制情况，D2D终端通信方式可分成4类［5］。1）基站控制链路的终端转发。终端设备可以在信号覆盖较差的环境下，通过邻近终端设备的信息转发与基站通信，其中，通信的链路建立由基站和中继设备控制，在这种通信方式下，终端设备可实现较高的服务质量（QoS，qualityofservice）。2）基站控制链路的终端直接通信。终端之间的信息交互与通信没有基站的协助，但需要基站控制链路的建立。3）终端控制链路的终端转发。基站不参与通信链路的建立和信息交互，源终端与目的终端通过中继设备协调控制彼此之间的通信。4）终端控制链路的终端直接通信。终端之间的通信没有基站和终端设备的协助，可自行控制链路的建立，这种方式有利于减轻设备之间的干扰。图1展示了5G移动通信网的D2D通信方式在车联网的应用。未来5G车联网D2D通信技术将为车联网提供新的通信模式。其中，在车载移动互联网，OBU可直接通过5G基站或中继（包括邻近的OBU、用户移动终端）快速接入互联网，实现车与云服务器的信息交互；在车内网，为充分实现用户与车辆的人机交互，以OBU为媒介，与用户5G移动终端之间在没有基站或其他终端设备协助情况下，通过自行控制链路，进行短距离的车辆数据传输；在基于D2D的通信网络中，5G车载单元可在网络通信边缘或信号拥塞地带基于单跳或多跳的D2D建立adhoc网络，实施车辆自组网通信［5］。通过以上对5G车联网通信方式的分析，如图2所示，5G车联网将改变基于IEEE802.11p标准的车联网通信方式，实施多实体之间（OBU之间以及OBU与车主移动终端、行人、5G基站、互联网之间）的信息交互，实现OBU的多网接入［2］以及车内网、车际网、车载移动互联网的“三网融合”。2.2多身份5G基站传统的基站作为终端通信的中继，在数据转发和链路控制等方面起着重要作用；而5G基站的大量部署，将实现超密集网络，从而给予用户精确定位、协助终端通信等功能。在基于5G毫米波的通信网络中，D2D技术涉及终端与基站（D2B）、基站与基站（B2B）之间的直接通信［7］。其中，D2B与B2B以自组织方式通信将是一个重要的突破，这决定了5G基站将以不同的角色发挥至关重要的作用。在车联网的应用场景，5G基站将拥有以下功能。1）协作中继。5G基站具备传统基站的中继转发功能，作为无线接入点，协助车与互联网通信。2）担当RSU。在高速运行的环境下，车辆自组网通信中的5G基站将取代RSU，与OBU实时通信，通过广播的方式向车辆自组网中的车辆发布交通信息，并协助车与车通信以及多个车辆自组网通信。这不仅节约了车联网体系的构建成本，而且解决了V2I协作通信系统［8］融合面临的多方面问题［9］。3）精确定位。GPS作为当前OBU的定位系统是非常脆弱的，容易受到欺骗、阻塞等多种类型的攻击。并且，GPS的信号容易受到天气影响，导致无法实施精确定位［2］。未来5G基站的大量部署使用更高的频率和信号带宽，实施密集网络以及大规模的天线阵列，使OBU在NLOS复杂环境下减少定位误差。其次，D2D通信充分利用高密度的终端设备连接的优势，从以下两方面提高定位性能［10］。一方面，大量的D2D链路可以为确定车辆之间的伪距提供信号观测，如式（3）和式（5）所示，D2D通信不仅使OBU可以接收来自邻近车辆和移动终端的信息，其同步和信道估计单元等信号处理的实体还可被复用于信号传输的延时估计。在车联网中，D2D通信模式提供了一个网状网络，N个OBU构成的最大链路数为N（N-1）。另一方面，OBU的D2D通信链路为定位直接交换所需数据，可进一步加快局部决策，改进位置估计过程的收敛时间。图3为基于D2D的协作定位系统，车载终端OBU1从基站2接收的信号为2.3多渠道互联网接入在将来5G移动网络通信中，文献［5］指出5G终端通过自行控制通信链路建立，定期广播身份信息，其他邻近的终端及时发现并评估多个信道状态信息（CSI，channelstateinformation），自适应地选择当前最优的信道［11］，决定建立一个5G终端之间的直接通信或选择合适的中继转发消息，这种通信方式使5G终端以最优的方式实现信息交互，同时也提高频谱和能源的利用率。根据5G终端高效、多样化的通信方式，OBU可通过多种渠道接入互联网。如图4所示，OBU除了可按照当前车联网的V2I协作通信方式外，还可通过邻近的5G基站、5G车载单元OBU和5G移动终端等多种渠道自适应地选择信道质量较好的方式接入互联网。35G车联网特征5G移动通信融合CR、毫米波、大规模天线阵列、超密集组网、全双工通信（FD，wirelessfull-duplex）等关键技术［4］，显著提高了通信系统的性能。在车联网应用场景中，相比IEEE802.11p标准的通信，5G车联网的特点主要体现在低时延与高可靠性、频谱和能源高效利用、更加优越的通信质量。3.1低时延与高可靠性作为车联网信息的发送端、接收端和中继节点，消息传递过程必须保证私密性、安全性和高数据传输率，通信具有严格的时延限制［12］。目前，研究的车联网通信数据的密集使用以及频繁交换，对实时性要求非常高，然而，受无线通信技术的限制（如带宽、速度和域名等），通信时延达不到毫秒级，不能支持安全互联需求。5G高/超高密集度组网、低的设备能量消耗大幅地减小信令开销，解决了带宽和时延相关问题，且5G的时延达到了毫秒级，满足了低延时和高可靠性需求，成为车联网发展的最大突破口。在5G车联网通信中，为更好地研究与应用低时延和高可靠性的链路特征，文献［13］分析了适应于以300km/h速度移动车辆通信的5G自适应天线，提高了OBU与基站的通信质量，降低了在信道估计与数据传输之间产生的时延。文献［14］提出利用网络功能虚拟化（NFV，networkfunctionvirtualization）和软件定义网络（SDN，softwaredefinednetwork）技术提高5G网络体系结构的灵活性，并提出实现低时延服务的解决方案，主要包括服务预约和配置、减少IP地址解析的时延、连续服务时延的优化。其中，5G网络服务的优化不仅要支持当前的应用服务，而且要适应高速增长的信息量并满足将来多样性的服务需求［15］，尤其是对于时延高度敏感的通信，如车联网V2X通信场景，严格要求低时延和高可靠性，是5G网络体系结构应用的显著特点。根据表1设置的主要参数实施基于D2D模式的V2V通信时延仿真，得到了如图5所示的结果。随着车辆数目的增加，端到端的通信时延基本保持平稳状态，而5G车联网基于D2D技术将实现车与车、车与基站以及5G移动终端通信，其空口时延在1ms左右，端到端时延控制在毫秒级［14］，延时性能比IEEE802.11p标准的通信方式优越，有效地保障了通信的可靠性［2］。3.2频谱和能源高效利用频谱和能源的高效利用是5G用户体验的一个重要的特征。5G通信技术在车联网的应用，将解决当前车联网资源受限等问题。5G车联网的频谱和能源高效利用主要体现在以下几个方面。1）D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通过复用蜂窝资源实现终端直接通信。5G车载单元将基于D2D技术实现与邻近的车载单元、5G基站、5G移动终端的车联网自组网通信和多渠道互联网接入。通过这种方式提高车联网通信的频谱利用率［16］，与基于IEEE802.11p标准的车联网V2X通信方式相比，减少了成本的支出，节约了能源。2）全双工通信。5G移动终端设备使用全双工通信方式，允许不同的终端之间、终端与5G基站之间在相同频段的信道可同时发送并接收信息，使空口频谱效率提高一倍，从而提高了频谱使用效率［17］。3）认知无线电。